第三节选择合理的装配焊接顺序

时间：2024-10-14 百科知识版权反馈

【摘要】：总装时必须确定合理的装配、焊接工艺，以减少焊接变形，使结构形状与尺寸符合图样要求。这种方法称为分离装配焊接法。由于平面分段板材上骨架高度较低，焊缝大多处于同一平面上，所以这类分段焊接以后不致发生很大的挠曲变形。而当焊接T形接头两条腰缝不对称时，会引起骨架和板列或者骨架的面板和腹板之间的歪斜，这些都要采取相应的防止变形措施进行控制。立体分段的装配焊接以双层底分段为例。

第三节　选择合理的装配焊接顺序

一、装配的原理

装配的任务就是利用定位焊或紧固装置（螺栓、铁楔等），将加工好的构件（或已制成的部件），按图样要求连接成部件（或整体结构）。

焊接结构在装配中，必须具备定位和夹紧两个基本条件。

如前所述，定位就是确定零件在空间的位置或零件间的相对位置。如在平台上装配工字梁，见图3-46，工字梁的相对位置是由腹板与挡板来定位的，而腹板的高低位置是由垫块定位。整个工字梁是由平台支承定位。常用的定位方法有划线定位、销轴定位、挡铁定位和样板定位等。夹紧就是借助外力将定位后的零件固定在某一位置上。这种外力(夹紧力)通常是由刚度夹具来实现的，也可以利用气压力或液压力进行夹紧。图3-46中翼板与腹板间的夹紧力是由调节螺杆产生的。

图3-46　工字梁装配时的定位

1—腹板；2—翼板；3—挡板；4—平台；5—调节螺杆；6—垫块

装配工序的基本要求是：不应使构件在安装定位后出现移动、倾斜和扭转等现象；保证装配的正确性及结构符合图样尺寸；接缝应满足焊接工艺的要求。为此，装配时必须选择好基准面。装配基准面可按下列几点进行选择。

（1）构件的外形有平面也有曲面时，应以平面作为装配基准面。

（2）在零件上有若干个平面的情况下，应选择较平的平面作为装配基准面。

（3）根据构件的用途，选择最重要的面作为装配基准面。例如某些技术要求较高的面经机械加工，一般就以该加工面为装配基准面。

（4）选择的基准面要使装配过程便于对零件定位和夹紧。

二、装配方法

装配的方法是根据产品结构的特点，利用定位焊或紧固装置将众多的零部件按照图样的技术要求，连接成部件或整体结构的工艺措施。常用的装配方法有地样装配法、仿形复制装配法、立装、卧装和胎具装配法。

1.地样装配法

地样装配法是将构件的形状按1∶1的实际尺寸直接绘制在装配平台上，然后利用挡铁，根据零件间接合线的位置进行装配。它适用于桁架或框架类结构的装配，图3-47是屋架地样装配示意图，装配时先在平台或地面上放出地样，然后利用挡铁根据地样将零件先后组合起来。

图3-47　桁架的地样装配

2.仿形复制装配法

此法适用于装配断面形状对称的结构，如屋架、梁柱等结构。先装配成单面结构，然后以此为样板装配另一面。现以图3-48（a）所示的简单结构说明其装配方法，在平台上先装配角钢和连接板，如图3-48（b）所示，连接板和角钢间可采用定位焊固定，这样成为单面结构，以此种结构作为仿形靠模进行复制。装配另一单面结构如图3-48（c）所示，再卸下上半个单面结构后，装配另一角钢如图3-48（d）所示，从而完成了整个产品的装配。

3.立装

立装是指将结构件自下而上进行装配的一种装配方法，适用于装配高度不大的结构。立装又分为正装和倒装两种方法。

正装是按产品使用时的位置自下而上地进行装配，这种方法适用于结构下部的基础较大，且易放置平稳的结构。倒装是把结构按使用的方向倒过来进行装配，这种方法适用于结构的上部体积比下部大或正装时不易放稳的结构。

4.卧装

卧装又称平装，适用于断面不大，但长度略长的构件，如电站设备中的加热器（图3-49）等压力容器一般都采用卧式装配。

图3-48　仿形复制装配法

图3-49　加热器的卧装

5.胎具装配法

胎具装配法适用于产量大和定型产品的装配。装配时，零件的相互位置是靠胎具定位，所以大大提高了装配工作效率，保证了产品质量，同时也易于实现机械化和自动化。图3-50是筒体纵缝装焊胎架。

图3-50　筒体纵缝装焊胎架

1—调节螺母；2—滑叉；3—卡环；4—活塞；5—下内模；6—上内模；7—水冷铜垫；8—压板；9—焊件；10—气缸

三、结构的装焊过程

结构的装焊过程一般分为如下两种形式：一种是对于简单结构，采用由单个构件逐渐组装、焊接成整体结构的装焊方法；另一种是对于大型、复杂的结构，采用由部件组装成整体结构的分部件装焊法。这样易于控制结构的应力和变形，提高装焊质量，且利于缩短生产周期，但部件的划分法应按结构特点、工艺要求、起重能力等条件综合考虑。现将零部件装焊过程分成三个阶段简述。

1.部件装焊

将切割或成形加工好的构件装焊成部件。部件形状随结构类型不同而变化，尽管形式多样，大小各异，但把它们分解开来，基本上都是由钢板及型钢组合成的。

2.分段装焊

把部分部件组合装焊成分段。分段实际上也是部件，但它的尺寸与体积要大些，构造也较为复杂。如高压锅筒（图3-51）是由封头、筒体、人孔装置、管接头等几个部件组焊而成的。

图3-51　高压锅筒示意图

1—人孔装置；2—筒体；3—管接头；4—封头；5—下降管接头

结构分段的划分要考虑施工的方便性与合理性，并保证分段本身的结构强度，不至于因自重而产生永久变形，以有利于分段装配与吊运。

小型结构可以不采用分段装焊形式，直接把部件进行总体装焊。

3.总体装焊

将各分段组合装焊成整体结构。分段经焊接及质量检验后，吊运至现场或在平台上进行总装。总装时必须确定合理的装配、焊接工艺，以减少焊接变形，使结构形状与尺寸符合图样要求。

以船体结构装配焊接为例，船体是一个庞大的立体结构，它的装配焊接通常分部件、分段、船台三个（四个）工艺阶段进行。各阶段的主要工作内容为：

（1）部件装配焊接（小合拢）：将加工后的各种构件组合成部件，包括拼板、T形梁、肋骨框架以及机座等部件的装配焊接。

（2）分段装配焊接（中合拢）：将各个部件组合成分段（或总段），船体分段有两种：平面分段和立体分段。平面分段又有平直和曲面两种。前者在平台上装焊，是骨架构件跟平板之间的装配焊接。曲面形“平面”分段应在预制的胎架上进行。目前曲率较小的曲面板拼接可以采用埋弧自动焊，曲面较大的仍采用手工焊。

（3）船台装配焊接（大合拢）：将分段（或总段）组合成整个船体。船台装配焊接即是将预先装焊好的部件、分段或总段在船台上进行装配合拢，经过焊接后组成一条完整的船体。

其中，船体分段装配焊接（中合拢），包括平面分段和立体分段两部分。

平面分段有两种装配焊接方法。一种是在板列上先装一个方向的骨架，随即进行自动或半自动焊接。然后再装一个方向的骨架，用半自动或手工焊焊接。这种方法称为分离装配焊接法。这种方法可扩大自动、半自动焊应用范围、减少焊接变形和提高生产率。另一种方法是在板列上将纵横骨架全部安装好后再进行焊接，此时应当采取使各条焊缝具有相对自由收缩余地的焊接程序，如逐个焊接法等。

由于平面分段板材上骨架高度较低，焊缝大多处于同一平面上，所以这类分段焊接以后不致发生很大的挠曲变形。但是焊接接头沿结构长度或宽度不同的横向收缩，可引起部分板列的波浪变形，例如骨架为伸到边缘部分板列的波浪变形。骨架焊缝纵向收缩引起外板板列受压失稳可产生波浪形变形。而当焊接T形接头两条腰缝不对称时，会引起骨架和板列或者骨架的面板和腹板之间的歪斜，这些都要采取相应的防止变形措施进行控制。

立体分段的装配焊接以双层底分段为例。双层底由船底壳板、内底板及纵横构架组成。小型船体双层底可整体建造。大型船体需沿纵向切成几段或每一段再在横向切成两、三段建造，如图3-52所示。

立体分段建造方式有正造法和反造法两种。正造法即以船体外板作为基面，逐步安装各种构件，直到安装内底板为止。由于外板具有一定曲度，一般均在胎架上进行装配。正造法特点是胎架成本高，因此用于成批生产以及艏艉部分曲度较大的分段。

反造法以内底板为基础，逐步安装纵横构件，直到安装外板为止。由于内底板通常是平直的，因而它的优点是省去胎架，可放在平台上进行装配。

立体分段由于纵横骨架较多，而且又有相当高度，骨架间的交叉焊缝离壳板的距离也较远，因此焊后会发生总体的挠曲变形，如图3-53所示。为了保证分段的外形，需要采用反变形措施。为了控制分段的长度及宽度，则需要加放构架间的余量。

图3-52　双层底的横向分段

图3-53　船体分段总变形示意图

1—焊前；2—焊后

总段是船体中的一段，包括底部分段、舷侧分段和甲板分段等。有的总段还包括一个到两个隔舱壁分段。对于船舯总段必须预先制造属于总段中的一切分断，然后将这些分段按照既定位置合拢即成。而对艏或艉总段，由于线形比较特殊，为了保证线形和顺，通常不再划分成分段，而是作为一个总段来建造。

艏艉总段通常采用反造法，即利用甲板作为基面而来制造。首先在甲板胎架上铺甲板板，然后安装肋骨框架及艏柱或艉柱，最后安装壳板。只要肋骨框架安装正确，那么壳板线形的和顺是可以保证的。

总段的正造法，是将预先在胎架上装配焊接成的底部、舷部、甲板、舱壁等分段进行合拢，然后焊接，如图3-54所示。总段由于具有很大的刚性，而且只有为数不多的合拢焊缝，因此一般不致引起较大的焊接变形。但焊接时应采用对称于中剖面的焊接程序，以保证船体中心线不致发生扭曲现象。

船台装配焊接（大合拢）即是将预先装焊好的部件、分段或总段在船台上进行装配合拢，经过焊接后组成一条完整的船体。船台装配是在倾斜船台上或水平船坞中进行。船台装配主要有以下几种方法：总段装配法、塔式装配法、岛式装配法及混合装配法，具体见表3-2。

图3-54　正造法

1—甲板分段；2—舷侧分段；3—底分段

表3-2　船台的装配方法

续表

船台装配焊接是一项大面积的立体作业，要考虑控制船体的整体变形，甲板、双层底内外板的对接焊。正面焊缝大部分可用埋弧自动焊，反面需手工封底，最好采用埋弧单面焊双面成形工艺。外板分段的立向对接焊缝，横舱壁与外板的立向角接焊缝，这些焊缝长度很大，除采用手工焊外，还采用了垂直自动焊工艺。船侧分段与双层底分段之间外板的横向对接焊缝，由于这些焊缝数量不多，机械化条件也较好，目前已研制成功横向自动焊。曲面外壳的对接缝，大多采用手工焊。内部构件的接头焊缝大多采用手工焊。

在船台合拢中，船体经焊接以后引起变形，往往产生总长缩短以及两端上翘现象。除了船长收缩和两端上翘的总体焊接变形以外，大接头处的线形也可能发生变化。如图3-55所示，外凸（俗称正圆势）的板材经焊接后，其线形通常向内缩，内凹（俗称反圆势）的板材焊后线形则向外挺。为了保证大接头处线形光滑，通常采用“梳状马”骑跨在接头处。线形弯曲的地方，马板数量也适当增加。此外，采用水火弯板工艺使接头的板边产生反变形，可达到少用或不用马板的目的，并保持焊后大接头处的线形光顺。船台的焊接操作应对称于纵中剖面，否则还会引起船体中线面的左右变形。

图3-55　大接头反变形法

1—焊前；2—焊后；3—梳状马；4—分段外板；5—烧热线处；6—分段横向构架

四、装配焊接顺序

装配焊接顺序主要是考虑先期焊缝产生的焊接应力和变形对后续焊缝的影响，同时还要考虑后续焊缝产生的应力和变形是怎样与先期焊缝的影响相互作用的。实践证明，正确选择装配焊接顺序，是防止焊接变形的有力措施。

装配与焊接时，根据个别零件固定情况及断面组成方法，结构的刚性要逐渐地增加，由于这时焊缝的位置与所组成的断面重心的距离是不断改变的，因而可以预料由于个别焊缝的焊接所引起的变形在不同的装配与焊接程序下将是不同的，在各种装配焊接次序的方案中，总可以选择出最小变形的方案，这是防止焊接结构变形的主要方法。

现以桥式起重机大梁和工形焊接梁的装配和焊接为例来分别说明。

桥式起重机大梁的装配—焊接顺序不同，其变形量就不同。大梁是箱形断面，最主要的技术要求是：焊后要有一定的上拱度（向上弯），绝不允许产生下挠拱（向下弯）。然而焊缝大部分分置在箱形梁的上部（在上翼板上焊有大小筋板），如图3-56所示，所以焊后大梁容易产生下挠。

图3-56　桥式起重机主梁结构简图

1—大筋板；2—小筋板；3—上翼板；4—腹板；5—下翼板

为了解决这个问题，除了采用反变形法（详见后面）将腹板切割成具有上拱的形状外，还必须选择合理的装—焊程序，才能更好地控制和减少下挠度。大梁是封闭结构，内部有焊在上翼板上的大小筋板，所以必须先以上翼板和两块腹板组成“∏”形梁，最后装上下翼板组成封闭的箱形梁，由于“∏”形梁刚性小以及焊缝位置不对称，所以“∏”形梁的装焊程序就成了大梁变形的关键，一般说“∏”形梁的装—焊程序有四种方案可供选择，每种方案以焊后大梁产生的下挠变形的大小为评定标准，方案讨论中所谓“下挠”或“上拱”是指焊后最后的变形方向。

方案Ⅰ的装—焊工序如图3-57所示，其中焊缝A是大小筋板与上翼板的焊缝，焊缝B、C是腹板与大小筋板的焊缝。

图3-57　方案Ⅰ的装—焊工序

工序（a）——腹板2与大筋板4、小筋板5，进行焊缝B焊接。此时有旁弯变形发生。

工序（b）——装配上翼板1，焊接焊缝A。由于焊缝位置与构件截面中心不对称（图3-58（a）），此时将产生“下挠”变形及旁弯变形，“下挠”变形较大。

图3-58　焊缝位置与截面中心位置

工序（c）——装配腹板3。

工序（d）——焊接焊缝C，不产生“下挠”变形。

方案Ⅱ的装—焊工序如图3-59所示。

图3-59　方案Ⅱ的装—焊工序

工序（a）——装配腹板2与大筋板4、小筋板5。焊接焊缝B。

工序（b）——装配腹板3。

工序（c）——翻身，焊接焊缝C。

工序（d）——装配上翼板，焊接A焊缝。焊接时施工困难，焊缝A位置也是与构件截面中心不对称（图3-58（b）），引起较大“下挠”变形。

方案Ⅲ的装—焊工序如图3-60所示。

工序（a）——装配上翼板1、大筋板4、小筋板5，焊接A焊缝。此时因4、5筋板不是纵向构件，所以构件截面中心在上翼板1中心，焊缝A在截面中心上面（图3-58（c）），因此焊后产生“上拱变形”，但变形值不大。

工序（b）——装配腹板2及3。

图3-60　方案Ⅲ的装—焊工序

工序（c）——放倒构件焊接焊缝C。

工序（d）——翻身焊接焊缝B。

方案Ⅳ的装—焊工序如图3-61所示。

图3-61　方案Ⅳ的装—焊工序

工序（a）——将翼板1，大筋板4、小筋板5及左腹板2、右腹板3全部装配好。焊接A焊缝。此时虽然构件刚性大，但仍将引起较大的下挠变形。

工序（b）——焊接C焊缝。

工序（c）——翻身焊接B焊缝。

从上述分析中可以看出，四种方案中以第三种方案产生的下挠变形最小。

此外，从装配和焊接质量方面来看，第一、第二方案在装配过程中，基准面经常改变，装—焊误差较大。在第三方案中，装配过程始终以上翼板为基准面，所以装—焊误差较小。第四方案装配质量没问题，但焊接A焊缝时劳动条件差，焊接质量不易保证。从生产率来看，第一、第二方案焊接翻转次数多，刚度小，吊运麻烦，所以生产率低。第三、第四方案翻转次数少，生产率高。

综上所述，全面比较，第三方案最佳。

当上翼板上布置有方铁时（图3-62），焊接对x—x轴分布不对称，焊后将产生下挠的弯曲变形。防止的措施：装配后由两名工人同时对称的先焊1及1'焊缝，然后焊2及2'，再焊3及3'，此时产生的下挠变形接近上拱变形，因此整个梁焊完后下挠与上拱变形基本抵消。

图3-63　盖板工字焊接梁装配焊接顺序方案比较

图3-62　起重机主梁上有方铁时的焊接顺序

图3-63　所示的加盖板工字焊接梁，通过六条焊缝将其顶板、腹板、底板和盖板装配焊接而成。该结构有两种可供比较选择的装配焊接顺序方案。

方案Ⅰ是先将所有的板用定位焊装配成加盖板的工形梁，然后再进行焊接。由于底板上有四条焊缝，而顶板上只有两条焊缝，所以焊缝的重心轴比结构的中性轴要低，焊缝纵向收缩将使结构产生凸起的弯曲变形，如图3-63（a）所示。

方案Ⅱ先将盖板和底板焊在一起，这两块板焊后的焊缝重心轴与焊件的中性轴几乎重合，可以认为不会产生弯曲变形，即使产生变形，矫直也不困难。然后与腹板、顶板进行装配焊接。此时，由于盖板和底板的两条焊缝是在自由状态下焊接的，所以对结构的最终变形不再产生影响，只有中间四条焊缝影响最终的残余变形。由于这四条焊缝的重心轴接近结构的中性轴，其偏心距比方案Ⅰ小，故产生的弯曲变形也比方案Ⅰ小。

由此可知，当装配完成后，调节焊接程序也是减少焊接残余应力与变形的有效措施之一，如何设法使后续焊缝的变形方向与先期焊缝的变形方向相反，对减小焊接残余变形是有重要意义的，通常应遵守下述原则。

（1）尽量使焊缝能自由收缩，对大型构件的焊接，应从中间向四周进行。

（2）一般横向收缩大于纵向收缩，因此应先焊横向焊缝使之能自由收缩。

焊接顺序的选择，要根据焊缝具体情况来确定：一般对称布置的焊缝，最好由成双的焊工对称地进行焊接，如图3-64所示。这样可使各焊缝所引起的变形相互抵消；非对称的焊缝，一般都是先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧，这样就可以使先焊焊缝所引起的变形部分得到抵消。

图3-64　对称焊

五、合理的焊接方向

在实际生产中，有许多结构不仅要求残余变形小，还要求残余应力不得超过某一数值。在这种情况下，除考虑装配焊接顺序外，还要考虑焊接方向。

焊接残余应力和变形，在很大程度上取决于焊接时的拘束度。为了减小残余应力，在焊接中应尽量使焊缝能得以自由收缩。例如，图3-65所示的焊接工形梁，为使焊缝能自由收缩，焊接总方向是由中间向两侧逐次进行，每个局部的焊接顺序和焊接方向在图中分别用数字和箭头表示。

图3-65　厚板工形梁的焊接顺序

在一般情况下，应先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝。当同时存在对接焊缝和角焊缝时，一般应先焊对接焊缝，后焊角焊缝。当同时存在横向焊缝和纵向焊缝时，一般应先焊横向焊缝，后焊纵向焊缝。当结构中同时存在厚板焊缝和薄板焊缝时，一般应先焊厚板焊缝，后焊薄板焊缝。当结构中同时存在断续焊缝和连续焊缝时，一般应先焊连续焊缝，后焊断续焊缝。总之，让先焊的焊缝尽量自由收缩后，再焊后续焊缝，以达到减小残余应力和变形的目的。

对于复杂的加肋结构，同样要遵守上述原则。例如，图3-66所示

图3-66　加肋板和底板的焊接顺序和方向

的加肋结构，肋板与底板的焊接顺序和方向应按图中的数字和所指方向逐次焊接。

当该结构的纵向和横向肋板与底板焊好后，纵向肋板与横向肋板的相互焊接，应该按照图3-67所示的焊接方向自上而下进行焊接。如果采用自下而上的焊接方向焊接时，由于在肋板上部焊缝终点附近的间隙，随着焊接进行而不断减小，引起图3-67所示的角变形。如果每条焊缝引起的角变形为β₁、β₂、β₃，显然，总的角变形（β₁+β₂+β₃）可能就相当大了。如果采用自上而下的焊接方向，由于肋板下端相互间的间隙受到底板焊缝的拘束，就不会发生上述的角变形。

图3-67　焊接方向对变形的影响

因此，为防止和减少焊接应力，在结构生产中，要根据结构的不同实际情况，合理安排焊接顺序。

（1）一般容器结构的焊接应先焊短焊缝后焊长焊缝，先焊纵焊缝后焊环焊缝，如图3-68所示。

（2）焊接平面上的焊缝，要保证焊缝的纵向及横向（特别是横向）收缩能够比较自由，而不受较大的约束。例如大型容器底部钢板的拼接，应该先焊所有的横向焊缝，然后再焊所有的纵向焊缝，并从中间向外，按照图3-69所示的顺序进行焊接，使焊缝能够较好地自由收缩。

（3）按受力大小确定焊接顺序时，应先焊工作时受力较大的焊缝，即先焊收缩量最大的焊缝，使内应力合理分布。因为先焊的焊缝收缩时受阻力较小，故应力较小。如图3-70所示的工字梁的焊接，其焊接顺序应该是先焊腹板对接焊缝1，然后焊盖板的对接焊缝2，最后焊腹板和盖板的角焊缝3。

（4）按焊缝长短确定焊接顺序时，应先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝，如图3-71所示。